米亞羅水電站有壓引水隧洞襯砌設(shè)計(jì)探討

吳 建 軍，徐 應(yīng) 中

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

米亞羅水電站位于四川省阿壩州理縣米亞羅鎮(zhèn)，上接十八拐電站，下接蘆桿橋電站，是雜谷腦流域上游河段梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)電站。電站開發(fā)方式為引水式，無調(diào)節(jié)性能，項(xiàng)目的主要功能為發(fā)電，無其它綜合利用要求。電站發(fā)電引用流量為14.82 m3/s，額定水頭121 m，總裝機(jī)容量為15 MW，多年平均年發(fā)電量為8 347萬kW·h，年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為5 565 h，保證出力3 588 kW。最大閘壩高度為11 m，閘壩頂全長(zhǎng)59.8 m；引水 隧 洞 全 長(zhǎng)6 953.752 m，后接調(diào)壓室和壓力管道以及地面廠房。

2 引水隧洞的布置

米亞羅水電站有壓引水系統(tǒng)布置在雜谷腦河右岸，由進(jìn)水閘、無壓沉沙洞、排沙道、有壓引水隧洞、調(diào)壓室及壓力管道組成。從河道地形可以看出，開發(fā)河段呈“S”型，整個(gè)隧洞受垂直埋深和側(cè)向埋深、施工支洞的長(zhǎng)度以及大小磨子溝的控制，平面上共設(shè)5個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)。

有壓隧洞的主洞段從樁號(hào)引0+308.5到樁號(hào)引6+953.752，長(zhǎng)6 645.252 m，底板起坡點(diǎn)高程為2 857.44 m，縱坡為2.621‰，止點(diǎn)為底板高程2 840 m，采用洞徑3 m的馬蹄形斷面，初步設(shè)計(jì)全隧洞為鋼筋混凝土襯砌，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯厚30 cm，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚40 cm。對(duì)全隧洞頂拱150°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段需進(jìn)行固結(jié)灌漿。Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)見圖1。Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 有壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)圖(Ⅱ、Ⅲ類圍巖)

圖2 有壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)圖(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

3 引水隧洞工程地質(zhì)情況

米亞羅水電站引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，地層及巖性不連續(xù)且多變，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，山體有區(qū)域性的斷層通過并且有磨子溝等兩條沖溝的切割。隧洞山體植物茂密，圍巖結(jié)構(gòu)面及裂隙發(fā)育，因此，裂隙水及地下水十分豐富。另外，施工區(qū)域位于米亞羅大斷裂帶范圍，該斷裂帶是隧洞穿越的最大斷層，寬度約150 m。米亞羅斷裂帶呈破碎斷裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性非常差，在一些洞段清晰可見主斷裂帶呈現(xiàn)一定寬度，裂隙中夾泥明顯，兩側(cè)影響帶亦十分破碎且夾雜大量的黑色煤狀破碎土石。該斷裂帶地下水埋藏亦十分豐富，巖體擠壓強(qiáng)烈，主要發(fā)育層面裂隙以層狀、片狀為主，局部滲水較大。盡管變質(zhì)砂巖含量較高，但其多風(fēng)化破碎且沒有規(guī)則性，砂巖和變質(zhì)板巖交替出現(xiàn)，結(jié)合帶長(zhǎng)度較大且十分破碎，圍巖大部分為Ⅳ類和Ⅴ類。

4 隧洞襯砌的設(shè)計(jì)

按照在安全可靠、結(jié)構(gòu)合理的前提下盡量降低工程造價(jià)的原則，有壓引水主洞段采用分類襯砌的方法。Ⅱ、Ⅲ類巖體采用掛網(wǎng)噴混凝土與鋼筋混凝土相結(jié)合的襯砌方法，Ⅳ、Ⅴ類巖體及特殊地質(zhì)斷面采用全斷面鋼筋混凝土襯砌的方法。

4.1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖的襯砌設(shè)計(jì)

引水隧洞全長(zhǎng)6 953 m，盡管多處洞段的巖層變化明顯，圍巖風(fēng)化破碎，但畢竟砂巖和板巖也會(huì)單一存在，該類洞段的圍巖較為穩(wěn)定，初步分析屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，該類圍巖占整個(gè)隧洞長(zhǎng)度的30%，且大多數(shù)分布于隧洞上游段，隧洞下游段亦有少量分布。對(duì)于此類洞段的襯砌設(shè)計(jì)，考慮到安全、穩(wěn)定的因素，初步設(shè)計(jì)中采用30 cm襯厚的鋼筋混凝土全斷面襯砌方法。鋼筋采用單層，主筋直徑為16 mm，分布筋采用φ12。但是，在施工過程中發(fā)現(xiàn)此類斷面開挖面比較光滑、完整，很少有巖層剝落及碎石掉落等現(xiàn)象，圍巖自身較為穩(wěn)定。在這種情況下，如果繼續(xù)采用初步設(shè)計(jì)的全斷面鋼筋混凝土襯砌效果當(dāng)然不錯(cuò)，但耽誤工期、增大投資而造成不必要的浪費(fèi)。另外，考慮到隧洞為有壓引水式，過水?dāng)嗝鎽?yīng)盡量保證平整光滑，因此對(duì)洞中邊墻及頂拱采用打入錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土的襯砌方式。錨桿采用φ20，長(zhǎng)度為1.5 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)采用φ8、間距為250 mm×250 mm的鋼筋，噴C25混凝土厚度為8～15 cm。底板澆筑30 cm厚的鋼筋混凝土，配置φ16主筋和φ12分布筋。

進(jìn)行該設(shè)計(jì)優(yōu)化后，不僅能維持隧洞的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而且極大地縮短了施工工期，節(jié)約了工程成本。但需要注意的是，在掛網(wǎng)噴混凝土施工過程中，一定要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，噴混凝土外表面一定要覆蓋最少3 cm厚的鋼筋網(wǎng),并且保證混凝土表面盡量光滑平整，減少過水表面的粗糙程度，最大限度地利用水資源。

4.2 Ⅳ類圍巖的襯砌設(shè)計(jì)

該引水隧洞的Ⅳ類圍巖占全洞總長(zhǎng)度的40%，此類圍巖軟弱結(jié)構(gòu)面分布較多，巖體基本成碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。巖性多變，沒有規(guī)則性，變質(zhì)砂巖和變質(zhì)板巖交替出現(xiàn)。在這種情況下，必須進(jìn)行超前支護(hù)，邊開挖邊支護(hù)。預(yù)先打入超前錨桿，緊跟著安裝花拱架進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。錨桿采用φ22，長(zhǎng)度為2.5 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，花拱架主筋采用φ22，箍筋采用φ8，間距為1 m。隨后，在巖層表面噴C25混凝土，厚5 cm。如此實(shí)施初期支護(hù)后，基本上維持了洞室在開挖期間的穩(wěn)定，保證了洞挖工作的安全推進(jìn)。

但是在這種地質(zhì)狀況下，嚴(yán)格的按照馬蹄形設(shè)計(jì)斷面開挖施工難度非常大。因此，需對(duì)開挖斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用城門洞型，頂拱不變，兩邊采用豎直、底板采用水平的方式。這種設(shè)計(jì)方式使開挖斷面尺寸的超挖和欠挖都能很好地掌控在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，亦能加快施工進(jìn)度。

待開挖完成后，采用40 cm襯厚的全斷面鋼筋混凝土襯砌。雙層布筋，配置φ20主筋和φ14分布筋(圖3)。

4.3 Ⅴ類圍巖的襯砌設(shè)計(jì)

Ⅴ類圍巖占到引水隧洞總長(zhǎng)度的20%，此類圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響非常嚴(yán)重，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，斷層破碎帶分布較多，寬度多為2～4 m。巖層性質(zhì)較為模糊、不易判斷，多為變質(zhì)砂巖和變質(zhì)板巖綜合體，呈巖屑狀分布且夾雜大量黑色煤狀破碎土石。因此，圍巖穩(wěn)定性差，特別是變質(zhì)砂巖段有較大的地下涌水，開挖階段經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)洞頂大面積坍塌現(xiàn)象，給施工造成了極大的困難。

此類圍巖的開挖斷面尺寸與Ⅳ類圍巖相同，但必須加強(qiáng)支護(hù)，以保證花拱架不被巖層擠壓變形，邊開挖、邊支護(hù)、邊觀測(cè)。一定要短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)。預(yù)先打入超前錨桿，緊跟著安裝鋼拱架。錨桿采用φ22，長(zhǎng)度為3 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，將鋼拱架做成城門洞型，開挖1 m，強(qiáng)行支護(hù)一榀，鋼拱架底腳坐落在堅(jiān)硬的基礎(chǔ)上，鋼拱架之間采用排距30 cm、φ22的螺紋鋼筋進(jìn)行電焊連接，以保證鋼拱架之間的聯(lián)系性和整體穩(wěn)定性。在鋼拱架與鋼拱架之間掛鋼筋網(wǎng)，直徑為8 mm，間距150 mm×150 mm，然后在其表面噴C25混凝土，厚度要覆蓋鋼拱架至少3 cm厚。盡管采用這種方式襯護(hù)，圍巖的穩(wěn)定時(shí)間也比較短，一般兩個(gè)星期就會(huì)繼續(xù)變形而造成破壞。因此，按10 m一段在進(jìn)行完強(qiáng)支護(hù)后立即安裝襯砌鋼筋，雙層布筋，配置φ22主筋和φ16分布筋，全斷面進(jìn)行隧洞澆筑。

采用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)維持了洞室的穩(wěn)定。但需要注意的是：在綁扎鋼筋及混凝土澆筑的施工過程中，一定要抓緊時(shí)間，爭(zhēng)取在圍巖變形破壞之前完成此類洞段的襯砌施工，以阻止其自身破壞。另外，還需做好排水管的埋設(shè)，及時(shí)引導(dǎo)巖層滲水的外泄，以減少對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)水壓力(圖3)。

圖3 有壓隧洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

4.4 穿越?jīng)_溝段與斷裂帶的襯砌設(shè)計(jì)

米亞羅大斷裂帶是隧洞開挖的最大威脅，斷層寬度約為150 m，呈破碎斷裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性非常差。穿越該斷層的洞段圍巖巖性變化、風(fēng)化特別嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，地下水十分豐富，圍巖破碎且夾雜大量黑色煤狀破碎土石，開挖期間必須高度謹(jǐn)慎。在初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)兩處斷裂帶采用了鋼板襯護(hù)，鋼板襯護(hù)兩側(cè)采用伸縮節(jié)和混凝土襯砌過渡，襯砌段之間設(shè)置雙層紫銅片止水，其余洞段采用與Ⅴ類圍巖襯砌相同的施工工藝。

5 隧洞變形的觀測(cè)與分析

按照襯砌設(shè)計(jì)，在該引水隧洞的襯砌施工期間進(jìn)行了外觀觀測(cè)洞內(nèi)圍巖變形。在Ⅱ、Ⅲ類圍巖已經(jīng)完成掛網(wǎng)噴混凝土襯砌的洞段，經(jīng)過幾個(gè)月的觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫、剝落和圍巖變形等現(xiàn)象。Ⅳ類圍巖完成花拱架掛網(wǎng)噴混凝土臨時(shí)支護(hù)后的洞段經(jīng)過幾個(gè)月的觀測(cè)，僅僅發(fā)現(xiàn)很少量的混凝土裂縫、剝落現(xiàn)象，并未發(fā)現(xiàn)圍巖變形等現(xiàn)象。Ⅴ類圍巖和穿越?jīng)_溝段與斷裂帶在完成鋼拱架掛網(wǎng)噴混凝土臨時(shí)支護(hù)后的洞段在短時(shí)間內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)圍巖變形等現(xiàn)象，從而有充足的時(shí)間進(jìn)行全斷面鋼筋混凝土襯砌。

對(duì)Ⅳ、Ⅴ類圍巖和穿越?jīng)_溝段與斷裂帶在完成全斷面鋼筋混凝土襯砌后的部分代表性斷面實(shí)施了外水壓力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：此處鋼筋處于受壓狀態(tài)，但其壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋的設(shè)計(jì)抗壓值。另外，該處并未出現(xiàn)明顯的混凝土裂紋。

6 結(jié) 語

對(duì)于引水隧洞，其襯砌和支護(hù)施工往往是制約工程工期和成本的關(guān)鍵因素，因此，為了縮短工期和減少投資，對(duì)隧洞襯砌進(jìn)行合理的優(yōu)化十分重要。針對(duì)不同性質(zhì)的圍巖、采用不同的方法會(huì)得出不同的結(jié)論，涉及不同的造價(jià)。對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行科學(xué)的分類并且分別采用適合的襯砌方法，能夠在保證洞室安全穩(wěn)定的情況下縮短施工工期，降低工程造價(jià)，最終取得安全而經(jīng)濟(jì)的綜合效益。